專利名稱：多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模擬煤層真三軸應力條件下的鉆井液對煤層的侵入、侵入煤 層的深度和程度，以及進行各種真三軸應力條件下煤層各向異性特征研究的多功能煤層鉆 井液動態(tài)污染評價裝置，屬煤層氣鉆井液傷害評價測試儀器技術領域。
技術背景煤層氣的勘探與開發(fā)技術是在常規(guī)油氣的勘探與開發(fā)技術的基礎上發(fā)展起來的， 常規(guī)油氣的勘探開發(fā)技術大部分也能成功運用于煤層氣勘探開發(fā)中，給煤層氣的勘探與開 發(fā)工作帶來了很大的經(jīng)濟效益。但是，煤層與常規(guī)儲油氣層有著很大的不同之處，煤層潛在的損害因素表現(xiàn)為1、 煤層孔隙和裂隙發(fā)育，鉆井液中的固相和液相進入煤層裂隙深處；2、煤是大分子結構的有 機物，易對鉆井液水和高分子聚合物吸附，從而影響煤層的滲透性；3、煤層水易與鉆井液發(fā) 生化學反應，從而堵塞煤層裂隙；4、煤層壓力低，易發(fā)生井漏，對煤層造成損害；5、煤層具 有應力敏感性，鉆井過程中液柱壓力控制失當，容易造成滲透流降低；6、煤的機械強度低， 鉆井施工過程中產(chǎn)生的煤粉易堵塞煤層孔隙和裂隙。鉆井液對煤層的傷害主要有一是鉆井液被煤體吸附或吸收，二是鉆井液中固相 顆粒對煤中裂隙通道的充填堵塞，三是鉆井液柱壓力與煤層壓力之差造成煤層端面割理閉 合，致使煤層透氣性變差，影響產(chǎn)氣量。同時鉆井壓力對地層也存在諸多損害，如在過平衡 鉆進時，井內(nèi)循環(huán)液壓力大于煤層壓力，使作用在井筒附近的純應力降低，引起煤層滲透率 增高。但這加大了鉆井液對煤層的侵入速度和侵人半徑，從而使?jié)B透率降低；而在欠平衡鉆 進時，井內(nèi)循環(huán)液壓力小于煤層壓力，使作用附近的純應力增高，引起煤層塑性變形，造成 滲透率大幅度降低。這種作用于煤層的高應力，足以引起煤層滲透性滯后現(xiàn)象，造成滲透率 的永久性降低。鉆柱壓力變化和下鉆時引起的壓力激動，也會通過鉆井液或直接對煤層造 成傷害。在微過平衡鉆井的持續(xù)正壓差和欠平衡鉆井中的脈沖正壓差均會成為鉆井液中固 相和濾液進入地層的動力。目前，國內(nèi)只有油氣層保護研究單一的模擬鉆井的入井流體損害裝置和測量巖心 受入井流體損害深度和程度的動態(tài)損害評價系統(tǒng)。但煤層保護工作貫穿煤層勘探開發(fā)的各 個生產(chǎn)過程，是一項涉及多學科的綜合配套技術，上述儀器裝置遠不能滿足實際生產(chǎn)的需 要。因此，研制出能夠模擬煤層真三軸應力條件下的鉆井液對煤層的侵入、以及侵入煤層的 深度和程度，以及進行煤層的各種三軸應力方面的評價試驗的動態(tài)污染評價裝置意義非常 重大，以滿足煤層保護工作實際生產(chǎn)的需要。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種模擬煤層真三軸應力條件下的鉆井液對煤層 的侵入、以及侵入煤層的深度和程度，同時還可以進行煤層的各種真三軸應力條件下的煤 層各向異性特征研究，以及煤層氣液兩相滲透率測試的多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置。本實用新型是通過如下技術方案來實現(xiàn)上述目的的一種多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置，它由氣體增壓泵、三軸應力煤心夾持 器、計量軸壓泵、回壓調(diào)節(jié)器、氣體質(zhì)量流量計、氣水分離器、電子天平、計算機采集板、泥 漿容器、低壓壓力傳感器、高壓壓力傳感器、烘箱、高壓液體容器、加濕容器、精密平流泵、 ISC0100DX泵、氣體儲氣罐構成，其特征在于氣體增壓泵置于烘箱的左側；氣體儲氣罐、精 密平流泵、加濕容器、計量軸壓泵、回壓調(diào)節(jié)器、氣體質(zhì)量流量計、氣水分離器、電子天平置 于烘箱的下部，ISC0100DX泵置于烘箱的右側；高壓調(diào)壓保護閥、高壓減壓閥、回壓加壓閥、 泥漿污染閥、低壓調(diào)壓保護閥、高壓加壓閥、低壓減壓閥、低壓加壓閥、進□壓力表、出口壓 力表置于烘箱左邊面板上；計算機采集板、低壓壓力傳感器、高壓壓力傳感器置于烘箱左邊 面板的后面；高壓液體容器、三軸應力煤心夾持器、泥漿容器置于烘箱的工作間內(nèi)。所述的三軸應力煤心夾持器的左右端通過不銹鋼管線和兩端的六通閥門座連接， 左端的六通閥門座通過管線與加濕容器、高壓液體容器連接，右端的六通閥門座通過管線 與回壓調(diào)節(jié)器、回壓閥、氣體質(zhì)量流量計、氣水分離器連接。所述的氣體增壓泵、氣體儲氣罐與高壓減壓閥、低壓減壓閥、加濕容器通過管線連 接；ISC0100DX泵、精密平流泵通過管線與高壓液體容器連接。所述的三軸應力煤心夾持器在X軸、Y軸和Z軸三個方向上開有軸壓加壓口，分別 通過管線和軸壓壓力表與三臺計量軸壓泵連接；所述的三軸應力煤心夾持器右側設置有泥 漿污染通道，泥漿污染通道進口與泥漿容器相連，泥漿容器頂部通過管線與泥漿污染閥連 接，泥漿污染通道出口與泥漿收集桶連接。所述的低壓壓力傳感器、高壓壓力傳感器、氣體質(zhì)量流量計通過電線與計算機采 集板連接。本實用新型與現(xiàn)有技術相比的有益效果在于該多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置不僅能模擬煤層真三軸應力條件下的鉆 井液對煤層的侵入、侵入煤層的深度和程度；同時還可以進行各種真三軸應力條件下煤層 各向異性特征的研究，測量煤層煤心在各向異性應力條件下滲透率變化以及在真三維壓力 狀態(tài)下煤層鉆井液動態(tài)污染前后的滲流變化規(guī)律；還能模擬正壓差、負壓差、平衡鉆井過程 中的泥漿動態(tài)污染過程，使煤層污染過程和滲流測試過程一體化，避免多次裝夾煤樣產(chǎn)生 應力效應；適用于煤層氣液兩相滲透率測試。解決了目前評價實驗中常用的偽三軸夾持器 不能在三個軸向上加載不同軸壓的問題，克服了流體驅替實驗、泥漿污染試驗、氣液兩相驅 替試驗要單獨進行的缺陷；具有流程清晰，操作方便、實驗軟件模塊化、實驗數(shù)據(jù)標準化等 特點。

附圖為多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置的結構示意圖。圖中1、低壓調(diào)壓閥，2、氣體增壓泵，3、氣體高壓表，4、高壓調(diào)壓保護閥，5、高壓 減壓閥，6、回壓加壓閥，7、泥漿污染閥，8、低壓調(diào)壓保護閥，9、高壓加壓閥，10、低壓減壓閥， 11、低壓加壓閥，12、六通閥門座，13、進口壓力表，14、軸壓加壓閥，15、軸壓壓力表，16、三軸 應力煤心夾持器，17、出口壓力表，18、計量軸壓泵，19、回壓壓力表，20、回壓調(diào)節(jié)器，21、回壓閥，22、氣體質(zhì)量流量計，23、氣水分離器，24、電子天平，25、計算機采集板，26、泥漿容器， 27、低壓壓力傳感器，28、高壓壓力傳感器，29、烘箱，30、高壓液體容器，31、加濕容器，32、精 密平流泵，33、驅替液，34、ISC0100DX泵，35、氣體儲氣罐。
具體實施方式
該多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置由低壓調(diào)壓閥1、氣體增壓泵2、氣體高壓 表3、高壓調(diào)壓保護閥4、高壓減壓閥5、回壓加壓閥6、泥漿污染閥7、低壓調(diào)壓保護閥8、高 壓加壓閥9、低壓減壓閥10、低壓加壓閥11、六通閥門座12、進口壓力表13、軸壓加壓閥14、 軸壓壓力表15、三軸應力煤心夾持器16、出口壓力表17、計量軸壓泵18、回壓壓力表19、回 壓調(diào)節(jié)器20、回壓閥21、氣體質(zhì)量流量計22、氣水分離器23、電子天平24、計算機采集板 25、泥漿容器26、低壓壓力傳感器27、高壓壓力傳感器28、烘箱29、高壓液體容器30、加濕容 器31、精密平流泵32、驅替液33、ISC0100DX泵34、氣體儲氣罐35組成(參見附圖)。氣體增壓泵2置于烘箱29的左側；氣體儲氣罐35、精密平流泵32、加濕容器31、計 量軸壓泵18、回壓調(diào)節(jié)器20、氣體質(zhì)量流量計22、氣水分離器23、電子天平24置于烘箱29 的下部，ISC0100DX泵34置于烘箱29的右側。高壓調(diào)壓保護閥4、高壓減壓閥5、回壓加壓 閥6、泥漿污染閥7、低壓調(diào)壓保護閥8、高壓加壓閥9、低壓減壓閥10、低壓加壓閥11、進口 壓力表13、出口壓力表17置于烘箱29左邊面板上。計算機采集板25、低壓壓力傳感器27、 高壓壓力傳感器28置于烘箱29左邊面板的后面。高壓液體容器30、三軸應力煤心夾持器 16、泥漿容器26置于烘箱29的工作間內(nèi)。所述的三軸應力煤心夾持器16的左右端通過不銹鋼管線和兩端的六通閥門座12 連接，左端的六通閥門座12通過管線與加濕容器31、高壓液體容器30連接，右端的六通閥 門座12通過管線與回壓調(diào)節(jié)器20、回壓閥21、氣體質(zhì)量流量計22和氣水分離器23連接。所述的氣體增壓泵2、氣體儲氣罐35與高壓減壓閥5、低壓減壓閥10、加濕容器31 通過管線連接；ISC0100DX泵34、精密平流泵32通過管線與高壓液體容器30連接。 所述的三軸應力煤心夾持器16在X軸、Y軸和Z軸三個方向上開有軸壓加壓口，分 別通過管線和軸壓壓力表15與三臺計量軸壓泵18連接，適用于煤層鉆井液動態(tài)污染前后 的滲流變化規(guī)律，以及煤層三維各向異性特征的評價實驗。所述的三軸應力煤心夾持器16 的右側設置有泥漿污染通道，泥漿污染通道進口與泥漿容器26相連，泥漿容器26的頂部通 過管線與泥漿污染閥7連接，泥漿污染通道的出口與泥漿收集桶連接。所述的低壓壓力傳感器27、高壓壓力傳感器28、氣體質(zhì)量流量計22通過電線與計 算機采集板25連接。電子天平24、精密平流泵32、ISC0100DX泵34、計算機采集板25通過 通訊線與計算機連接。計算機通過應用軟件控制儀器運行、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理報表打印 等工作。所述的烘箱29由智能溫度控制器控制加熱，通過PT100傳感器采集溫度信號，由 風機提供循環(huán)風量，保證烘箱29工作間溫度均勻一致(計算機、風機、PT100傳感器圖中未 畫出)。實驗前，先把煤塊制成50 X 50 X 50cm的標準試樣，并按實驗標準要求進行預處 理。啟動空氣壓縮機，并將氣壓增至0. 7Mpa,關閉氣體儲氣罐35的出口閥，逐步調(diào)節(jié)低壓調(diào) 壓閥1的壓力，啟動氣體增壓泵2，將氣體儲氣罐35的壓力增至32Mpa備用，增壓時壓力的 大小由氣體高壓表3控制。[0024]實驗時，把樣品裝入三軸應力煤心夾持器16內(nèi)，擰緊三軸應力煤心夾持器16的X 軸壓蓋和右柱塞，連接好X軸壓、Y軸壓、Z軸壓與計量軸壓泵18之間的加壓管線，準備好計 量軸壓泵18的液壓油。將高壓液體容器30的活塞采用手動或氣壓推到底部，將模擬水和 實驗油裝入高壓液體容器30內(nèi)，蓋好液體容器的頂蓋，連接好精密平流泵32與高壓液體容 器30與ISC0100DX泵34之間的管線，準備好驅替液33。連接三軸應力煤心夾持器16進 出口到六通閥門座12的管線，連接好六通閥門座12到回壓閥21、電子天平24、氣體質(zhì)量流 量計22之間的管線。將回壓調(diào)節(jié)器20中注滿水，裝好頂蓋并連接好進出口管線。關閉泥 漿容器26的下出口閥，將實驗泥漿裝入泥漿容器26內(nèi)，蓋上頂蓋，連接好加壓管線。關閉 計量軸壓泵18的泄壓閥，打開軸壓加壓閥14，順時針搖動計量軸壓泵18的手柄，開始按X 軸、Z軸、Y軸的順序逐步增加軸壓，待軸壓達到設計壓力時停止加壓，三向軸壓值必須高于 流動壓力2Mpa左右。啟動烘箱29上的智能溫度控制器，設置實驗溫度開始加熱，待溫度控 制在設定溫度范圍之內(nèi)1小時后，便可開始測試實驗。(1)、三軸應力條件下的煤層滲透率測試。打開計算機，進入多功能煤層鉆井液動 態(tài)污染評價系統(tǒng)操作主界面，選擇煤層滲透率測試。根據(jù)實驗計劃選擇氣體滲透率測試或 液體滲透率測試，當進行氣體滲透率測試時，打開烘箱29面板上的高壓調(diào)壓保護閥4，將高 壓減壓閥5調(diào)節(jié)到5MPa，再依次打開低壓調(diào)壓保護閥8和低壓加壓閥11，將低壓減壓閥10 調(diào)節(jié)到0. IMpa,低壓氣體通過六通閥門座12進入三軸應力煤心夾持器16的左端，通過測試 樣品后從三軸應力煤心夾持器16的右端流出；打開氣水分離器23的進口閥，關閉氣水分離 器23的出水閥，使實驗氣體通過氣體質(zhì)量流量計22流出，計算機自動記錄氣體的流量、壓 差、時間，并根據(jù)計算公式自動計算出實驗結果。當進行液體滲透率測試時，打開高壓液體容器30以及對應的ISC0100DX泵34和 精密平流泵32，實驗流體通過六通閥門座12進入三軸應力煤心夾持器16左端，通過測試樣 品后從三軸應力煤心夾持器16的右端流出，打開回壓閥21前的進口閥，打開烘箱29面板 上的高壓調(diào)壓保護閥4，將高壓減壓閥5調(diào)節(jié)到2Mpa或實驗設計的回壓值，打開回壓加壓 閥6加回壓，打開氣水分離器23的出口閥，讓實驗流體進入電子天平24上的量杯，由計算 機自動記錄實驗流體的質(zhì)量、壓差、時間，并根據(jù)計算公式自動計算出實驗結果。該項實驗 能完成煤層在各向異性應力條件下的滲透率變化以及煤層三維方向的滲透率測試，評價煤 層三維各向異性特征，同時作為評價煤層受鉆井液動態(tài)污染評價實驗的基礎。(2)、煤層鉆井液動態(tài)污染評價實驗。按三軸應力條件下的煤層滲透率測試步驟， 首先進行煤層液相原始滲透率測試；完成后，再打開三軸應力煤心夾持器16的泥漿通道， 打開烘箱29面板上的高壓調(diào)壓保護閥4，將高壓減壓閥5調(diào)節(jié)到3. 5Mpa或實驗設計的泥漿 污染壓力；打開泥漿污染閥7、泥漿容器26下面的出口閥，調(diào)節(jié)泥漿通道上的出口閥，保證 有污染泥漿流出，同時通過三軸應力煤心夾持器16的左端計量泥漿污染煤層濾液的濾失 量。在污染實驗過程中，可以根據(jù)不同實驗方案，通過從三軸應力煤心夾持器16左端加注 不同的流體壓力模式，模擬欠平衡、正壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程，完成煤 層污染過程和滲流測試過程一體化，避免多次裝夾煤樣產(chǎn)生應力效應。如當三軸應力煤心 夾持器16的右柱塞退出一定距離打開泥漿污染通道時，通過高壓調(diào)壓保護閥4加壓，泥漿 在一定壓力下從泥漿污染通道進口流入，由樣品端面開始污染，從泥漿污染通道出口流出， 從而實現(xiàn)模擬正壓差鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程。負壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染可通過調(diào)節(jié)巖心入口壓力和出口端泥漿污染壓力實現(xiàn)。泥漿污染完成后，再按煤層 滲透率測試方法測試污染后的煤層滲透率，由計算機根據(jù)污染前后的滲透率變化，綜合評 價煤層受鉆井液污染的程度和深度。 (3)、氣液相對滲透率測試。首先將飽和模擬水的煤層樣品裝入三軸應力煤心夾持 器16，根據(jù)三軸應力條件下的煤層滲透率測試步驟，測試模擬水的滲透率。打開烘箱29面 板上的高壓調(diào)壓保護閥4，將高壓減壓閥5調(diào)節(jié)到5MPa，再依次打開低壓調(diào)壓保護閥8和低 壓加壓閥11，并將低壓減壓閥10調(diào)節(jié)到0. IMpa0低壓氣體通過六通閥門座12進入，啟動 精密平流泵32，設定恒壓模式，用0. IMpa的設定壓力驅替，打開六通閥門座12的出口端，使 兩相流體進入三軸應力煤心夾持器16的煤層樣品，流出的兩相流體經(jīng)過氣水分離器23分 離，氣體進入氣體質(zhì)量流量計22計量，液體進入電子天平24上的量杯，由計算機自動記錄 實驗流體的質(zhì)量、壓差、時間，按氣水相對滲透率非穩(wěn)態(tài)法計算方法計算實驗結果。
權利要求一種多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置，它由氣體增壓泵(2)、三軸應力煤心夾持器(16)、計量軸壓泵(18)、回壓調(diào)節(jié)器(20)、氣體質(zhì)量流量計(22)、氣水分離器(23)、電子天平(24)、計算機采集板(25)、泥漿容器(26)、低壓壓力傳感器(27)、高壓壓力傳感器(28)、烘箱(29)、高壓液體容器(30)、加濕容器(31)、精密平流泵(32)、ISCO100DX泵(34)、氣體儲氣罐(35)構成，其特征在于氣體增壓泵(2)置于烘箱(29)的左側；氣體儲氣罐(35)、精密平流泵(32)、加濕容器(31)、計量軸壓泵(18)、回壓調(diào)節(jié)器(20)、氣體質(zhì)量流量計(22)、氣水分離器(23)、電子天平(24)置于烘箱(29)的下部，ISCO100DX泵(34)置于烘箱(29)的右側；高壓調(diào)壓保護閥(4)、高壓減壓閥(5)、回壓加壓閥(6)、泥漿污染閥(7)、低壓調(diào)壓保護閥(8)、高壓加壓閥(9)、低壓減壓閥(10)、低壓加壓閥(11)、進口壓力表(13)、出口壓力表(17)置于烘箱(29)左邊面板上；計算機采集板(25)、低壓壓力傳感器(27)、高壓壓力傳感器(28)置于烘箱(29)左邊面板的后面；高壓液體容器(30)、三軸應力煤心夾持器(16)、泥漿容器(26)置于烘箱(29)的工作間內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置，其特征在于所述的 三軸應力煤心夾持器(16)的左右端通過不銹鋼管線和兩端的六通閥門座(12)連接，左端 的六通閥門座(12)通過管線與加濕容器(31)、高壓液體容器(30)連接，右端的六通閥門座 (12)通過管線與回壓調(diào)節(jié)器(20)、回壓閥(21)、氣體質(zhì)量流量計(22)、氣水分離器(23)連 接。
3.根據(jù)權利要求1所述的多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置，其特征在于所述的 氣體增壓泵(2)、氣體儲氣罐(35)與高壓減壓閥(5)、低壓減壓閥(10)、加濕容器(31)通過 管線連接；ISC0100DX泵(34)、精密平流泵(32)通過管線與高壓液體容器(30)連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置，其特征在于所述的 三軸應力煤心夾持器(16)在X軸、Y軸和Z軸三個方向上開有軸壓加壓口，分別通過管線 和軸壓壓力表(15)與三臺計量軸壓泵(18)連接；所述的三軸應力煤心夾持器(16)右側設 置有泥漿污染通道，泥漿污染通道進口與泥漿容器(26)相連，泥漿容器(26)頂部通過管線 與泥漿污染閥(7)連接，泥漿污染通道出口與泥漿收集桶連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置，其特征在于所述的 低壓壓力傳感器(27)、高壓壓力傳感器(28)、氣體質(zhì)量流量計(22)通過電線與計算機采集 板(25)連接。
專利摘要本實用新型涉及一種多功能煤層鉆井液動態(tài)污染評價裝置，屬煤層氣鉆井液傷害評價技術領域。它由氣體增壓泵、三軸應力煤心夾持器、計量軸壓泵、氣體質(zhì)量流量計、計算機采集板、泥漿容器、烘箱、精密平流泵等構成。氣體增壓泵置于烘箱的左側；氣體儲氣罐、精密平流泵、計量軸壓泵、氣體質(zhì)量流量計置于烘箱的下部；三軸應力煤心夾持器、泥漿容器置于烘箱的工作間內(nèi)。該評價裝置不僅能模擬煤層真三軸應力條件下鉆井液對煤層的侵入、侵入深度和程度；還能模擬正壓差、負壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程，使煤層污染過程和滲流測試過程一體化。解決了目前評價裝置不能在三個軸向上加載不同軸壓的問題，具有操作方便、實驗數(shù)據(jù)標準化的特點。
文檔編號G01N15/08GK201635721SQ20102012814
公開日2010年11月17日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權日2010年3月3日
發(fā)明者余維初, 岳前升, 楊恒林, 汪偉英, 田中蘭, 肖娜, 胡三清, 蔣光忠, 黃志強, 黃磊 申請人:中國石油集團鉆井工程技術研究院;長江大學